หลายๆคนก็คงจะสงสัยว่า เอ!! โมเลกุลของสารมีสี (colorant molecules) นั้นมีความพิเศษอย่างไรกันน้อ ทำไมเค้าจึงมีสีสันออกมาได้ล่ะนั่น
วันนี้แอดก็จะมาเล่าถึง #เกร็ดความรู้ที่ไม่จำเป็นต้องรู้ก็ได้ ถึงความพิเศษของสารมีสีต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นสีย้อม (dyestuffs) หรือผงสี (pigments) เนี่ยมันเป็นอย่างไรกันแน่ ทำไมบางสารให้สีได้ แล้วทำไมบางสารถึงไม่มีสี
ดังนั้นเรามานิยามกับคำ “การเห็นสี” กันก่อนนะค
ปกติสายตาคนเราจะรับรู้แสงได้ในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 400-700 นาโนเมตร (nanometres : nm) ซึ่งทำให้มีคำเฉพาะสำหรับ #แสงที่ตามองเห็น ได้ว่า “Visible lights” นะครับ
ดังนั้นถ้าแสงมีความยาวคลื่นต่ำกว่า 400 nm / หรือสูงกว่า 700 nm นั้นต่อให้มีความเข้มแค่ไหน สายตาเราก็มองไม่เห็น (แต่อาจจะสัมผัสด้วยความรู้สึกอื่นได้ ก็ไม่ว่ากัน) ทำให้แสงที่ว่านั้นเราจะเรียกว่า #แสงที่มองไม่เห็น (invisible lights) น่ะครับ
แต่เนื่องจากว่าสิ่งที่สายตามองไม่เห็นนั้น เราจะเรียกว่า “แสง” ก็ดูจะประดักประเดิดเกินไป ดังนั้นจึงมีอีกคำที่เรานิยมใช้เรียกแสงที่มองไม่เห็นเหล่านี้ว่า #รังสี (rays) แทนน่ะครับ
แน่นอนล่ะว่า สีเป็นสิ่งที่ตามองเห็นได้จึงมักจะเกี่ยวข้องกับแสง visible lights เป็นหลัก ซึ่งปกติแล้ว #แสงขาว (white lights) ที่เราเห็นตามปกตินั้นก็จะมีแสงที่มีความยาวคลื่นต่างๆกันไปผสมกันอยู่ในอัตราส่วนที่เหมาะสม
โดยที่ปกติแล้วเมื่อเราแยกแสงขาวด้วยปริซึม (prism) หรือจะโดยวัสดุอื่นๆอย่างละอองน้ำในบรรยากาศ/ หรือจะเป็นแผ่นเกรตติง (grating) ก็ตาม มันก็จะแยกแสงแต่ละความยาวคลื่นออกมาเป็น #สีรุ้ง (rainbow) ได้
สีรุ้งที่คนเรามองเห็นแล้วสามารถแยกออกด้วยตามนุษย์แบบคร่าวๆนั้นก็จะเรียงตามลำดับของความยาวคลื่นที่ต่ำสุดก็คือ #สีม่วง (violet) แล้วเรียงลำดับมาเป็น #คราม (indigo) #น้ำเงิน (blue) #เขียว (green) #เหลือง (yellow) #แสด (vermillion) และ #แดง (red) ที่มีความยาวคลื่นสูงสุดนั่นเอ
ดังนั้น “สารมีสี” ทุกอย่างในโลกนี้นั้นจะต้องมีสมบัติในการดูดกลืนแสง (light absorptions) ในบางช่วงความยาวคลื่นของ visible light ได้ เพื่อที่จะทำให้แสงขาวนั้นมีความพิกลพิการไปบางส่วน แล้วปล่อยแสงสีอื่นที่เหลือมาผสมกันเป็น “สีที่ตามองเห็น” ออกมา
อย่างในกรณีของวัสดุที่มีสีเหลืองนั้น ได้จากการที่วัสดุนั้น “ดูดกลืนแสงสีน้ำเงิน-ม่วง” เข้าไป แล้วปล่อยให้แสงสีเขียว เหลือง แสด แดง ออกมาผสมกันเป็น “สีเหลืองที่ตามองเห็น” ออกมาได้ #แต่ไม่ใช่ว่าวัสดุนั้นคายแสงสีเหลืองเพียงอย่างเดียวเท่านั้น นะครับ
ปกติแล้วสารแต่ละชนิดก็มีความสามารถในการดูดกลืนแสง/หรือรังสีบางส่วนเข้าไปเท่านั้น ถ้าสารที่ไม่ได้ดูดกลืนแสงที่ช่วงตามองเห็นเนี่ย ตาเราก็จะเห็นเป็นสีขาวนะครับ แต่ถ้าเค้าเลือกดูดกลืนในช่วงแจ็คพ็อทของแสงที่ตามองเห็นได้ สารตัวนั้นก็จะมีสีตามความรับรู้จากสายตาเราออกมา
อย่างสารอินทรีย์ที่มีสี (Organic colorants) นั้น เรามักจะเติมพันธะคู่ลงไปเยอะๆให้สลับกัน (Conjugated double bonds) เพื่อทำให้เค้าใช้พลังงานในการดูดกลืนเข้าไปเร้า (excitation) อิเล็กตรอนที่เหมาะสม ที่มักจะเป็น (π —> π*) จึงทำให้เราพบว่าสารอินทรีย์ที่มีสีนั้นมักจะมีพันธะคู่เยอะแยะมากมายเลย (ถ้าสนใจรายละเอียดลึกๆ สามารถหาอ่านจาก keyword : HOMO —> LUMO ได้นะครับ)
ซึ่งคำว่า LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) และ HOMO (highest occupied molecular orbital) นั้นเป็นคำย่อที่แสดงถึงสถานะของการเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัลนะครับ หาใช่คำย่อ HOMO ที่มักจะใช้พูดถึงรสนิยมทางเพศนะครับ
อ้าวแล้วถ้าเป็นสารมีสีอนินทรีย์ (Inorganic colorants) ล่ะ!! เค้าไม่มีพันธะคู่พันธะเดี่ยวที่เกี่ยวข้องกับ π electron ใน p-orbital สักหน่อย แล้วทำไมถึงมีสีได้ล่ะเนี่ย
ซึ่งเรามักจะพบว่าสีอนินทรีย์นั้นมักจะมีองค์ประกอบของโลหะทรานสิชัน (Transition metal : Group B elements) ที่มักจะมีเลขออกซิเดชั่น (oxidation states) หลายค่า อันเนื่องมาจากเค้าไม่ได้มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเต็มโควต้าในวงถัดเข้ามาจากวงนอกสุดล่ะ (ซึ่งตรงนี้ก็เป็นความแตกต่างของธาตุหมู่ A และธาตุหมู่ B ที่เราเคยเรียนมาน่ะครับ)
ดังนั้นจากความไม่เต็มวงของอิเล็กตรอนในแต่ละวง จึงสามารถทำให้อิเล็กตรอนใน d-orbital นั้นมีการย้ายตำแหน่งกันได้เสมอๆ ซึ่งเจ้าตัวการที่จะทำให้อิเล็กตรอนนั้นก็คือ “แสง” นั่นเองที่จะไปเร้าอิเล็กตรอนในแต่ละตำแหน่งได้
ซึ่งเมื่อมีการเปลี่ยนตำแหน่งที่ตัวเองอยู่นั้นก็จะต้องมีการหยิบยืมพลังงานจากแสงเข้ามาในการวิ่งเต้นโยกย้ายตำแหน่งด้วย พลังงานแสงที่ถูกหยิบยืมนั้นหากถ้าเป็นช่วง visible lights ก็จะทำให้สารตัวนั้นมีสีให้ตาเราเห็นด้วยนะครับ
อีกปรากฏการณ์หนึ่งก็คือ #สภาวะการถ่ายเทประจุ (charge transfer transitions) จากสารที่เรียกว่า #ลิแกนด์ (ligands) กับไออนของโลหะทรานสิชัน หรือที่เรารู้จักกันดีในชื่อ Ligand-to-metal charge-transfer (LMCT) transition น่ะครับ
ก็จะทำให้เกิดการดูดกลืนพลังงานแสงในช่วง visible light ได้ดีโดยเฉพาะกับไอออนของโลหะที่มีเลขออกซิเดชันสูงๆ (high oxidation state) อย่างเช่นสีจาก ด่างทับทิม (Potassium permanganate) ที่มีสีเข้มมากๆกันเลยทีเดียว
ซึ่งก็แน่นอนว่าสีอนินทรีย์นั้นจะมีความคงทนต่อแสงและความร้อนสูงมากกว่า เนื่องจากความเสถียรในตัวกลางที่มีการปกป้อง และเข้ากันได้ (compatbility) กับวัสดุอนินทรีย์อย่างแก้วและเซรามิกส์มากกว่า จึงนิยมนำมาใช้ทำการตกแต่งสีบนวัสดุเหล่านี้มากกว่า ดังที่แอดเล่าในเรื่องของ #การหุงกระจกเกรียบให้มีสี จากลิงก์นี้นะครับ
ดังนั้นเราจึงสามารถที่จะใช้เทคนิคต่างๆเพื่อที่จะวิเคราะห์ชนิดของไอออนโลหะที่เจือปนในแก้วที่มีสี เพื่อที่จะทำให้ทราบถึงอัตราส่วนของเกลือโลหะเหล่านี้ในแก้วที่มีสีต่างๆได้เป็นอย่างดี
ซึ่งจริงๆก็มีหลากหลายวิธีมาก ไม่ว่าจะเป็นเทคนิคการใช้ x-rays กระตุ้นให้เกิดการเรืองแสง หรือสามารถที่จะใช้แสงซินโครตรอนที่มีความเข้มสูงๆในการวิเคราะห์ได้ (พื้นที่โฆษณาอีกแล้ว)
ซึ่งบทความนี้จัดว่าเป็น #บทความสาระ ที่นานๆแอดจะมาฉายแสงแบบฮาร์ดคอร์สักที เพราะเนื่องจากว่าแอดพอเข้าใจว่าลูกเพจแอดหลายๆท่านอาจจะไม่ลึกซึ้งทางด้านเคมีเท่าไรนะครับ แต่ก็เป็นบทความที่แอดอยากเล่าจริงๆ
สุดท้ายนี้แอดก็ขอขอบคุณรูปประกอบบทความจากเพจ Compound interest จากลิงก์นี้ด้วยนะครับ
http://www.compoundchem.com/2015/03/03/coloured-glass/
#ภายใต้ความเป็นสีที่แอดอยากผวนหลายๆคำมาก
#แต่แอดว่าหลายๆคนคงมีมีคำผวนเกี่ยวกับสีในใจกันแล้วล่ะ
#ถ้าใครเห็นควรด้วยโปรดแสดงสีประจำตัวท่านออกมา
เคมีฟิสิกส์ของสิ่งทอ อาหาร และของรอบตัว 